網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)論文

1、UWB技術(shù)簡介及其應(yīng)用一、超寬帶的定義現(xiàn)在的超寬帶已經(jīng)不局限于早期的脈沖形式的無線電，任何無線電系統(tǒng)，只要 它滿足下面的條件之一就稱為超寬帶系統(tǒng)：(1)(2)2(f ?- f ?)?+ ?- ? > 500MHz式中，fH和f L分別是傳輸帶寬的高端頻率和低端頻率。此外，F(xiàn)CC規(guī)定超寬帶設(shè)備的功率譜密度不超過 -41. 3 dB M/ H z，以避免對已有的通信系統(tǒng) （比如GPS）產(chǎn)生干擾。FCC的功率譜密度限制顯示在圖1 o圖1 UWB在室內(nèi)的頻譜屏蔽二、超寬帶的實現(xiàn)技術(shù)1. 沖激無線電沖激無線電使用脈位調(diào)制，或二進制相移鍵控BPS或者脈沖幅度調(diào)制的基帶短脈沖串傳輸數(shù)據(jù)符號。沖激無線電

2、采用跳時或直接序列實現(xiàn)多址接入°在跳時方式中，是通過脈沖到達的時間順序區(qū)分用戶，在直接序列方式中是通過脈沖的極性序 列來區(qū)分用戶沖激無線電系統(tǒng)具有低成本、容易實現(xiàn)、衰落深度淺和好的穿透能力等，但是基帶短脈沖具有一部分低頻分量，這部分低頻分量在高速通信中很難達到FFC 的功率譜密度的規(guī)定。 目前沖激無線電系統(tǒng)通常應(yīng)用在定位搜索以及低速的數(shù)據(jù)通信中。2. MB -OFDMMB-OFDM多帶正交頻分復(fù)用）是由德州儀器提出，得到以In tel與德州儀器為 首的MBOA多帶聯(lián)盟）的支持，MB-OFDM頻分復(fù)用和頻率交織技術(shù)結(jié)合起來。MB-OFD將7.5GHz的帶寬分成了若干個528MHz的頻帶

3、，并且不使用 5.25.7GHz的 802.11a 的頻帶。它的調(diào)制方式是正交頻分復(fù)用，也就是以時間交織方式在不同 的頻帶上傳輸信息。它使用時頻碼來區(qū)分用戶。MB-OFD僚統(tǒng)能夠支持416個同時發(fā)生的微微網(wǎng)。MB-OFDM有很高的頻譜靈活性，在射頻干擾和多徑效應(yīng)中具有恢復(fù)能力，缺點 是稍微增加了發(fā)射器的復(fù)雜性 。3. DS - CDMA 和 DS -UWBDS - CDM（直接序列碼分多址）方式是摩托羅拉集團提出和支持的方案。DS-CDM胳7. 5 GH z 的頻譜分成了 2個頻帶，一個頻帶在 802.11a頻帶的上面，一 個在802.11a頻帶下面。在DS-CDMA方式下，每個數(shù)據(jù)符號是一串

4、按 BPSK/QPSK/MBOK 方式編碼的小波脈沖，多址接入是通過一個低交叉關(guān)系的二進制碼的CDMAg碼實現(xiàn)的，它支持8個同時發(fā)生的微微網(wǎng)。Motorola和CRL對DS - CDMA做了重新設(shè)計， 改進的DS -CDMA稱為DS -UWB（直接序列超寬帶）。在DS-UW B系統(tǒng)中MBOK調(diào)制 被去掉，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率將根據(jù)通信距離進行調(diào)整 , 而通信距離根據(jù)信號強度測量得到。另外，加進來一個公共的信令方式以容許設(shè)備可以在DS-UW B的物理層和MB - UWB的物理層之間交流。 DS -CDMA和DS-UW B的顯著優(yōu)點是很小的干擾、 低復(fù)雜性。三、超寬帶的優(yōu)點1超寬帶技術(shù)與其他系統(tǒng)共享

5、的方式使用頻譜它使用的頻譜從3.1GHz到10.6GHz,寬度高達7500MHz而無需劃分特定的、專 有的頻段。同時，通過限制發(fā)射功率，超寬帶也可以避免了其他系統(tǒng)對他造成的的 干擾。這樣的頻譜使用方式，在頻譜資源非常緊張的今天是具有重要的意義，這也 是超寬帶興起的主要原因之一。超寬帶的極寬的頻譜和極低的發(fā)射功率，也使超寬 帶系統(tǒng)具有傳輸速率高，系統(tǒng)相對簡單、成本低、功耗低的優(yōu)點。2超寬帶的傳輸速率高，系統(tǒng)相對簡單、成本低，功耗低傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)，因為頻帶較窄，要實現(xiàn)100Mps以上的高傳輸速率，必須采用高階調(diào)制等方法達到較高的頻譜使用效率。這就對信噪比提出了很高的要求， 同時提高了系統(tǒng)的復(fù)雜

6、性。而超寬帶系統(tǒng)的頻帶很寬，幾時傳輸速率高達1Gbps以上時，說需信噪比仍然不高，這就使得系統(tǒng)較為簡單，實現(xiàn)了系統(tǒng)的降低成本和功 耗。3系統(tǒng)成本和功耗低超寬帶如果通信采用的是傳統(tǒng)的基帶窄脈沖形式，因為無需對載波進行調(diào)制和 解調(diào)，還將使系統(tǒng)的成本和功耗進一步降低。同時低功率的脈沖比起以前雷達和通 信中的大功率脈沖，更容易產(chǎn)生，實現(xiàn)成本更低。4超寬帶信號衰減較小，穿透力強超寬帶采用基帶窄脈沖形式的信號，與利用正弦波攜帶信息的一般無線通信信 號在空中的衰減特性不同。天線發(fā)射的正弦電磁波是一種球面波，在自由空間中的 衰減與距離的平方成反比，在室內(nèi)多徑通信條件下，衰減與距離的3次方程反比。而具有色當(dāng)波形

7、的超寬帶瞬態(tài)脈沖具有較強的定向性，其衰減與距離成反比或更小。 因此，在相同功率下，采用基帶窄脈沖形式的超寬帶信號可比一般的調(diào)制載波的信 號傳輸更遠的距離。另外，由于基帶窄脈沖中含有角度空的低頻分量，所以在室內(nèi) 傳播時可以順利地穿過墻壁等一般的障礙物，為超寬帶技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境以及透視成 像等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了便利。5超寬帶的定位精度與其帶寬直接相關(guān)其帶寬一般在500MHz以上，遠遠高出了一般的無線通信信號，因此，其所能實現(xiàn)的定位精度也很高。基帶的窄脈沖的信號，因為其帶寬通常在數(shù)GHz所以其定位精度更是可以高達厘米量級。四、超寬帶的應(yīng)用超寬帶無線通信技術(shù)的主要功能包括無線通信和定位功能。進行高速無線通

8、信 時，傳輸距離較近，一般在 10到20米左右，進行較低的速率無線通信和定位時，傳 輸距可更遠。超寬帶采用基帶脈沖方式時，具有較強的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進行通信，成像或定位。與全球定位系統(tǒng)相比，超寬帶技術(shù)的定位精度更高。根 據(jù)上述的功能，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于無線多媒體局域網(wǎng)、家域網(wǎng)、個域網(wǎng)，無線 傳感網(wǎng)，雷達定位、成像系統(tǒng)和交通系統(tǒng)，以及應(yīng)用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、 測量等多個領(lǐng)域。1. 無線多媒體局域網(wǎng)、家域網(wǎng)、個域網(wǎng)在無線多媒體局域網(wǎng)、家域網(wǎng)、個域網(wǎng)中，各種數(shù)字多媒體設(shè)備，如數(shù)碼攝像 機、MP播放器、數(shù)字電視、計算機、投影儀、各種智能家電等，根據(jù)需要，在小范 圍內(nèi)組成組織式的網(wǎng)絡(luò)，

9、互相傳送多媒體數(shù)據(jù)，并可以通過安裝在家中的寬帶網(wǎng)關(guān)， 接入因特網(wǎng)，構(gòu)成一個智能家庭環(huán)境。 表1列舉了目前的一些無線多媒體業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù) 傳輸速率的要求，目前只有超寬帶技術(shù)可以滿足各種無線多媒體應(yīng)用的傳輸速率需 要。應(yīng)用要求的速率應(yīng)用要求的速率無線視頻投影15 70Mbps大容量多媒體文件拷貝100Mbps 以上高清晰度電視20 80Mbps替代有線電纜IEEE1394a100/200/400Mbps數(shù)碼攝像機27MbpsUSB2.01.5/12/480Mbps表 1 無線多媒體應(yīng)用對傳輸速率的要求2. 無線傳感網(wǎng)無線傳感網(wǎng)中，通常要求傳感器的功耗非常小，可以連續(xù)工作數(shù)月、甚至數(shù)年 之久而不需要充電

10、。目前的做法是通過媒體的計入控制層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議涉及，盡 量減少不必要的傳輸，來有效地利用無線信道和能量資源。在此基礎(chǔ)上，采用極低 功耗的超帶寬物理層，可以大大簡化 MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的復(fù)雜度，使系統(tǒng)總體功耗進 一步降低。3. 智能交通系統(tǒng)UWB除 了高速和低功耗的特點外，還具有定位和搜索能力。利用超寬帶的定位 和搜索能力，可以制造防碰和防障礙物的雷達。裝載了這種雷達的汽車會非常容易 駕駛。 當(dāng)汽車的前方、 后方、旁邊有障礙物時， 該雷達會提醒司機。 在停車的時候， 這種基于UWB的雷達是司機的強有力的助手。因為UWB是高速的無線通信技術(shù)。利用UW阿以建立智能交通管理系統(tǒng),這種系統(tǒng)應(yīng)該由若干個站

11、臺裝置和一些車載 裝置組成無線通信網(wǎng)，兩種裝置之間通過UWE進行通信完成各種功能。例如實現(xiàn)不停車的自動收費，汽車方的隨時定位測量、道路信息和行駛建議的隨時獲取，站臺 方對移動汽車的定位搜索和速度測量等軍事、救援和安全等領(lǐng)域采用基帶脈沖方式 的超寬帶系統(tǒng)，具有較強的穿透障礙物進行通信的功能，在軍事、消防、勘測等領(lǐng) 域有著廣泛的用途。4. 成像應(yīng)用由于 UWB 具有好的穿透墻和樓層的能力， UWB 可以應(yīng)用于成像系統(tǒng)。 利用 UWB技術(shù)，可以制造穿墻雷達和穿地雷達。穿墻雷達可以用在戰(zhàn)場上和警察的防暴行動 中，定位墻后和角落的敵人。地面穿透雷達可以用來探測礦產(chǎn)，在地震或其他災(zāi)難 后搜尋幸存者?；?UWB勺成像系統(tǒng)也可以用于避免使 X射線的醫(yī)學(xué)系統(tǒng)。5. UWB 應(yīng)用于智能標識（1）存貨跟蹤和系統(tǒng)服務(wù)將UWB節(jié)點安裝在大商場的入口和每個商店里。該商場的每個產(chǎn)品都有一個UWB的射頻標簽以便隨時對它的地點進行探測。在商店的入口，用戶可以用PDA下載產(chǎn)品的多媒體目錄，當(dāng)選擇了產(chǎn)品A,用戶就能夠得到產(chǎn)品 A在特定商店的位置。（ 2）文檔和書的管理在辦公室和圖書館，每個文檔和書 （包括電子書）附有一個UWB的射頻標簽。 利用UWB的精確定位能力，人們通過 PC、PDA或其他的終端可以很容易地找到想 要的文檔或書。五、對超